Andreas Hintennach (Daimler): “No hay una sola tecnología de baterías post iones de litio”

Cuando hablamos de la importancia de las baterías para la movilidad eléctrica, no solamente hablamos del producto en sí mismo sino como un sistema integrado en una arquitectura que ha de cumplir una serie de exigencias y requisitos según su aplicación. No es lo mismo el enfoque de su desarrollo para automóviles con diferentes arquitecturas híbridas (de 48 Voltios, híbridos o híbridos enchufables) que para los puramente eléctricos. Ni tampoco que sea para su uso en vehículos comerciales o industriales.

Las tecnologías en la fabricación de los sistemas de baterías han de permitir mejorar aspectos fundamentales tales como la densidad energética, el peso, la seguridad o la sostenibilidad. Para ello, el enfoque propuesto por Daimler en los trabajos de investigación y el desarrollo para baterías es un tema de primerísima actualidad.

De la mano del director de investigación de celdas de batería en Daimler, Andreas Hintennach, vamos a conocer en esta entrevista, el enfoque y futuro de los sistemas de baterías y sus tecnologías.

Destacamos

1. Nuestras actividades incluyen la optimización continua de la generación actual de sistemas de baterías de iones de litio, el desarrollo futuro de celdas disponibles en el mercado mundial y la investigación de sistemas de baterías de próxima generación.
2. Trabajamos en alternativas más allá del ion-litio.
3. Uno de nuestros principios rectores en el desarrollo es también la flexibilidad: en Daimler hay muchas aplicaciones para las baterías.
4. La sostenibilidad se ha convertido en el principio general de cualquier actividad de desarrollo en Daimler.
5. La batería y la pila de combustible son mucho más eficientes que el motor térmico.
6. Hoy en día, nuestros vehículos ya son recuperables en un 95%.
7. El establecimiento de un mercado funcional para las materias primas secundarias para Europa es de gran importancia política.
8. El mayor factor de coste es la composición del cátodo, es decir, el polo positivo de la batería. Se compone de una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. El ánodo está hecho de polvo de grafito, litio, electrolitos y un separador.
9. El silicio reemplazará en gran medida al polvo de grafito en el futuro. Esto nos permitirá aumentar la densidad de energía de las baterías en aproximadamente un 20 o un 25%. También se usa para mejorar la velocidad de carga.
10. La electromovilidad sólo es verdaderamente sostenible si las materias primas se extraen en condiciones sostenibles.
11. >Con la generación actual de celdas de batería ya hemos podido reducir la proporción de cobalto en el material activo (níquel, manganeso, cobalto y litio) de alrededor de un tercio a menos del 20%.
12. El manganeso puede reemplazar al cobalto y otros materiales como el litio. Es menos problemático desde una perspectiva ecológica y más ácil de trabajar.
13. No hay una sola tecnología post iones de litio. Hay baterías en las que el recubrimiento de grafito del ánodo se puede reemplazar con materiales novedosos como papel de litio-metal o polvo de silicona. Ambos aumentan la densidad de energía con diferencia.
14. Todas las baterías de estado sólido tienen grandes ventajas en cuando a seguridad, pero todavía estamos trabajando en carga rápida y una vida útil más larga.
15. El litio-azufre es una posible alternativa. Reemplazar el níquel y el cobalto de las baterías actuales con azufre aumentaría significativamente la sostenibilidad. La densidad de energía tiene mayor potencial pero tiene menor vida útil.
16. Las baterías de litio-aire tiene una densidad de energía sobresaliente, pero está lejos de convertirse en una realidad.
17. Las baterías orgánicas son actualmente parte de nuestra investigación fundamental. La química de celdas orgánicas basada en grafeno (que no utiliza materiales raros, tóxicos o caros, omo los metales) es una tecnología revolucionaria.

PREGUNTA. ¿Cómo aborda Mercedes-Benz la investigación y el desarrollo de baterías?

RESPUESTA. La tecnología de baterías es un elemento clave de la movilidad eléctrica y no como producto en sí mismo, sino una parte integral de la arquitectura del vehículo. Por lo tanto, cubrimos todas las etapas, desde la investigación fundamental hasta la madurez de la producción. Nuestras actividades incluyen la optimización continua de la generación actual de sistemas de baterías de iones de litio, el desarrollo futuro de celdas disponibles en el mercado mundial y la investigación de sistemas de baterías de próxima generación. Pero, por supuesto, hay más cuando se trata de baterías para vehículos eléctricos. También estamos trabajando en el sistema de gestión de la batería, que es un computador complejo en el que siempre puedes mejorar. La gestión térmica también es un tema importante. Es responsable tanto de la vida útil como del rendimiento de la batería. Debe comprenderse a fondo el mecanismo de las tecnologías para poder tomar las decisiones correctas.

P. ¿Cuál es su enfoque actual?

R. Mientras nuestro nuevo modelo EQC se está introduciendo en los mercados, estamos preparando el camino para las próximas generaciones de potentes vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio son el tipo más común utilizado en la electrónica y los vehículos eléctricos en la actualidad. En los próximos años, esta tecnología continuará marcando el camino, pero hay más por venir. Constantemente innovamos y trabajamos en alternativas más allá del ion-litio, no solo en relación con la densidad de energía y el tiempo de carga, sino también con la sostenibilidad.

P. ¿Entonces, es más que aumentar simplemente los kWh de las baterías?

R. La capacidad energética es importante, por supuesto. Pero hay más: la seguridad es un factor decisivo para nosotros. Los cambios relacionados con el material podrían permitir obtener una mayor capacidad, pero comprometiendo la seguridad. Para nosotros, esto definitivamente está fuera de toda consideración. Un Mercedes-Benz tiene que ser el punto de referencia cuando se trata de seguridad y esto también se aplica a su paquete de baterías. Uno de nuestros principios rectores en el desarrollo es también la flexibilidad: en Daimler hay muchas aplicaciones para las baterías, desde los smart, los automóviles y furgonetas de Mercedes-Benz hasta autobuses y camiones pesados y, finalmente, desde Mild-Hybrid (híbridos suaves) de 48 voltios, híbridos echufables o puramente eléctricos. Y, por supuesto, las soluciones que encontremos deben ser sostenibles.

P. ¿Qué importancia tiene la sostenibilidad en el desarrollo?

R. La sostenibilidad se ha convertido en el principio general de cualquier actividad de desarrollo en Daimler. Dado que la fabricación de vehículos requiere una gran cantidad de materias primas, uno de nuestros enfoques de desarrollo es minimizar la necesidad de recursos naturales, pero también aumentar la transparencia en primer lugar. Durante el desarrollo, creamos un concepto para cada modelo de vehículo en el que todos los componentes y materiales se analizan para determinar su idoneidad en el contexto de una economía circular. Con respecto a las baterías, este concepto ya se utiliza para investigaciones fundamentales en las que los materiales preciosos pueden sustituirse, minimizarse o utilizarse de manera más eficiente. Además, la capacidad de reciclaje se tiene en cuenta desde el principio. Por lo tanto, la producción de baterías se convierte en parte de un enfoque holístico: un circuito cerrado; una llamada economía circular.

P. ¿Cuál es el impacto ambiental de los vehículos eléctricos? Se ha demostrado que la propulsión eléctrica tiene un impacto mayor que el de los motores de combustión en la fase de producción.

R. La producción del motor de combustión se ha mejorado constantemente en los últimos 133 años. La batería y la pila de combustible, por otro lado, actualmente inician su vida útil con más emisiones debido al mayor requerimiento de energía. Sin embargo, en términos de funcionamiento, ambas son mucho más eficientes. Y eso compensa a largo plazo. Incluso si no los cargamos con electricidad con una huella neutra en CO₂, los vehículos que funcionan con baterías generan alrededor de un 40% menos de emisiones durante su ciclo de vida que los vehículos con motores de gasolina, y un 30% menos que los vehículos que funcionan con diésel. Y, en este cálculo, no se tienen en cuenta las reducciones de emisiones de CO2 durante la producción que nos marcamos como objetivo para el año 2039, ni el reciclado de materias primas que se incorporarán al ciclo de producción en el futuro. Ambos mejorarán aún más la sostenibilidad de nuestros vehículos de manera integral y, al hacerlo, contribuirán a nuestro programa "Ambition2039". Hoy en día, nuestros vehículos ya son recuperables en un 95%.

P. ¿Cuánto tiempo pasará hasta que exista un mercado para materias primas secundarias?

R. En ocho o diez años habrá un número significativo de baterías de vehículos disponibles para reciclar. En particular, entonces se reciclarán cobalto, níquel, cobre y más tarde también el silicio. Ya estamos muy bien preparados y los procesos están en su lugar, al igual que las oportunidades para devolver las materias primas secundarias al ciclo de producción. Actualmente hacemos esto con nuestras baterías de prueba. El establecimiento de un mercado funcional para las materias primas secundarias para Europa es de gran importancia política, porque Europa apenas tiene fuentes primarias. Pero, por supuesto, estamos haciendo todo lo posible para garantizar que las baterías duren el mayor tiempo posible.

P. ¿Qué materiales se usan en la batería?

R. Con la tecnología de iones de litio, la estructura de celdas siempre es similar, independientemente de si se trata de un teléfono móvil o de una batería de un coche eléctrico. Siempre hay dos láminas de metal, como el cobre y el aluminio. Entre las láminas de metal están los dos polos con el cátodo y el ánodo, entre los cuales tiene lugar la reacción eléctrica. Para la reacción se requiere un metal reactivo como el litio. El mayor factor de coste es la composición del cátodo, es decir, el polo positivo de la batería. Se compone de una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. El ánodo está hecho de polvo de grafito, litio, electrolitos y un separador.

P. ¿Y dónde entra en juego el mencionado silicio?

R. El silicio reemplazará en gran medida al polvo de grafito en el futuro. Esto nos permitirá aumentar la densidad de energía de las baterías en aproximadamente un 20 o un 25%. El silicio nos permite usar materiales en el lado del cátodo que no son compatibles con el grafito que se usa actualmente. Imagine dos vasos. Si desea verter agua de uno a otro, el segundo debe tener al menos el mismo tamaño para que no se desborde. Del mismo modo, el ánodo y el cátodo deberían armonizarse, lo que llamamos "equilibrio". El silicio también se usa para mejorar la velocidad de carga.

Una señal importante: el cobalto se asocia frecuentemente con violaciones de los derechos humanos y daños al medio ambiente en relación con su extracción, particularmente cuando proviene de la República Democrática del Congo. ¿Qué está haciendo Daimler al respecto?

Hemos desarrollado un enfoque que tiene como objetivo garantizar que nuestros proveedores cumplan nuestros requisitos con respecto a sostenibilidad y, al hacerlo, aspirar a lograr una mayor transparencia en la cadena de suministro. Con este fin, hemos contratado a una empresa de auditoría para aclarar y monitorizar cada etapa de la cadena de suministro de cobalto de acuerdo con los estándares de la OCDE. Después de todo, la electromovilidad sólo es verdaderamente sostenible si las materias primas se extraen en condiciones sostenibles.

P. Otra estrategia es reemplazar el cobalto con otros materiales menos críticos ...

R. Estamos investigándolo. Con la generación actual de celdas de batería ya hemos podido reducir la proporción de cobalto en el material activo (níquel, manganeso, cobalto y litio) de alrededor de un tercio a menos del 20%. En el laboratorio actualmente estamos trabajando con menos del 10% y esta proporción se reducirá aún más en el futuro. Desde una perspectiva química, hay muchos argumentos para abstenerse por completo del cobalto. Cuanto más se reduce la mezcla de materiales, más fácil y más eficiente es reciclar. La energía requerida para la producción química también se reduce porque la mezcla es más fácil de producir.

P. ¿Qué reemplazará al cobalto y otros materiales como el litio?

R. Son materiales que se basan principalmente en el manganeso, una materia prima que es menos problemática desde una perspectiva ecológica y más fácil de trabajar. Ya existen excelentes instalaciones de reciclaje para el manganeso porque se ha utilizado durante décadas en forma de baterías alcalinas (baterías no recargables). La tarea de los investigadores es hacer que este tipo de batería se pueda cargar. Esperamos que la tecnología esté lista para el mercado en la segunda mitad de la década de 2020. Otra alternativa es la batería de litio/azufre. El azufre es un producto de desecho industrial casi sin coste, muy puro y puede reciclarse fácilmente. Presenta desafíos significativos con respecto a la densidad de energía, pero también tiene un eco-equilibrio inigualable. Sin embargo, pueden pasar años hasta que esta tecnología esté disponible para turismos.

P. El litio también es objeto de críticas. ¿Puede esta materia prima también ser reemplazada?

R. Puede. La batería de magnesio-azufre, por ejemplo, no contiene litio. Estamos familiarizados con el magnesio de nuestra vida cotidiana en forma de tiza. La gran ventaja es que está disponible libremente. El Swabian Alb consiste completamente en tiza, por ejemplo. Sin embargo, nuestra investigación se encuentra actualmente en una etapa de laboratorio.

P. ¿Entonces, no hay alternativas a la batería de iones de litio en la actualidad?

R. Hay en algunas aplicaciones. Incluso hay tecnologías que son superiores a la batería de iones de litio. Entre ellas se encuentra la batería de estado sólido, que utilizaremos en nuestro autobús urbano eCitaro de Mercedes-Benz en la segunda mitad de la década de 2020. La tecnología tiene un ciclo de vida muy largo y tampoco incluye cobalto, níquel o manganeso. Sin embargo, su densidad de energía es menor, lo que la hace relativamente grande y lenta de cargar. Por eso es bueno para vehículos comerciales, pero no para turismos. La batería de iones de litio estará con nosotros durante los próximos años.

P. ¿Cuál será el próximo "santo grial"? ¿Son las baterías de estado sólido el futuro?

R. No hay una sola tecnología post iones de litio. Ya se trate de celdas con electrolitos de estado sólido, ánodos metálicos de litio o sistemas de azufre de litio: todas las tecnologías difieren en sus requisitos de materiales específicos, sus aplicaciones y, no menos importante, en su nivel de madurez. Cada tecnología tiene sus pros y contras específicos. La buena noticia es que existen múltiples caminos que reducen el riesgo de un posible callejón sin salida en el desarrollo. Aún no a la vuelta de la esquina, pero tampoco muy lejos en el camino, hay baterías en las que el recubrimiento de grafito del ánodo se puede reemplazar con materiales novedosos como papel de litio-metal o polvo de silicona. Ambos aumentan la densidad de energía con diferencia. Esto conduce a una mayor autonomía e incluso podría soportar una carga rápida. Todas las baterías de estado sólido tienen grandes ventajas en cuando a seguridad, pero todavía estamos trabajando en carga rápida y una vida útil más larga antes de que podamos decir "ésta es la tecnología que dberíamos llevar ahora a la carretera" con respecto a nuestros turismos.

P. ¿Y qué pasará más adelante?

R. El litio-azufre es una posible alternativa. Reemplazar el níquel y el cobalto de las baterías actuales con azufre aumentaría significativamente la sostenibilidad. La densidad de energía también tiene mucho potencial, pero la vida útil aún no es lo suficientemente larga y tomará un tiempo hasta que haya un avance en esta área. En las baterías de litio-aire, en realidad solo hay litio. El resto, el oxígeno, simplemente proviene del aire. Químicamente es un concepto similar al que tiene la pila de combustible, donde estamos usando hidrógeno. La densidad de energía sería sobresaliente, pero esta tecnología todavía está muy lejos de convertirse en una realidad.

P. Con el vehículo de investigación VISION AVTR, se fue un paso más allá, mucho más allá del mañana. ¿La tecnología de baterías orgánica es realmente una opción?

R. Con el VISION AVTR Mercedes-Benz presenta una visión sostenible de la movilidad libre de emisiones, también en lo que respecta a tecnologías de conducción. Por primera vez, su revolucionaria tecnología de baterías consiste en una química de celdas orgánicas basada en grafeno y, por lo tanto, no utiliza materiales raros, tóxicos o caros, como los metales. Esto hace que la movilidad eléctrica sea independiente de los recursos fósiles. Una revolución absoluta es la posibilidad de reciclar el 100% a través del compostaje debido a la materialidad, como un excelente ejemplo de una futura economía circular en el sector de las materias primas. Además de una densidad de energía exponencialmente alta, la tecnología también impresiona con su excepcional capacidad de carga rápida. Las baterías orgánicas son actualmente parte de nuestra investigación fundamental. Todavía se necesitarán varios años hasta que pueda instalarse en los vehículos Mercedes-Benz, ¡pero el potencial está ahí!